TiO2光催化氧化NO的第一性原理研究

Due to its great importance in solving the problem of pollution caused by nitrogen oxides (NOx) in Haze-Fog events, surface chemistry of titanium dioxide (TiO2) has been extensively well studied. Among catalysts used for the reaction of NOx reduction, TiO2 has attracted increasing attention and already has been used as a potential contender to replace the currently used catalysts, because of its high activity and environmental compatibility. Since different anatase TiO2 single crystal surfaces possess different surface atomic and electronic structures, the photocatalytic oxidation of NO by TiO2 may be crystal-selective. In this project, we will use density functional theory (DFT) combined with microkinetic analysis, and periodic slab model to systemically investigate the reaction mechanisms of NO adsorption and oxidation on TiO2(101), TiO2(010) and TiO2(001) surfaces. We will focus on the influence of crystal structure, free radical species ( HO• or O2-• ), temperature and partial pressure to the adsorption and oxidation. The completion of this project will provide helpful theoretical information for the molecular design of better and more efficient photocatalysts as well as the control of NOx pollution in the environment.

TiO2作为一种新型绿色光催化材料，已成功应用于光催化消除空气中的氮氧化物(NOx)，对解决目前雾霾引起的环境问题具有非常重要的意义。由于锐钛矿TiO2的不同晶面具有不同的表面原子和电子结构，因此，TiO2光催化氧化NO可能存在晶面选择性。在本项目的研究中，我们将采用密度泛函理论结合微观动力学模型，应用周期性平板模型，系统研究NO在TiO2(101)、TiO2(010)和TiO2(001)表面的吸附和氧化反应机理，深入研究不同晶面、不同自由基(HO• 或O2-• )、不同温度和分压等因素对吸附和氧化机理的影响，建立规律性的认识，为新型高效光催化剂的分子设计以及治理NOx对环境的污染提供可靠的理论依据。

申请人严格按照申请书的研究计划执行，并稍微调整下研究内容。对NO氧化过程中涉及的原子分子吸附过程，氧化机理进行了深入研究。通过量子化学理论计算并结合反应动力学理论，对复杂催化体系的结构、活性和选择性进行系统研究，获得反应体系详细的反应过程，阐明反应的微观机理和动力学性质，为催化新材料、新反应的探索、设计提供有益的指导。在原子尺度理解单原子与载体的相互作用，揭示单原子催化的优良催化性能。通过比较不同的单原子附着位点，比较键能、电子转移数、键长等参数及反应发生的实际条件来确定最适单原子附着位。通过模拟反应气体的真实吸附、比较催化反应路径及速率控制步骤的能垒大小来选择催化反应最优路径，明晰反应机理。揭示引入载体的单原子修饰了载体局部的电子结构，改变了吸附原子的空间和能量分布，达到了优化催化剂催化性能的目的，进一步理解催化性能和活性位点之间的电子结构的关系，有助于优化和设计高活性及高选择性催化剂，凸显了理论催化在新催化材料发展中的作用和影响。 在2015-2017年间，连续在《Carbon》、《J. Mater. Chem. C》、《Phys. Chem. Chem. Phys.》和《Appl. surf. Sci.》等国际著名杂志上发表相关学术论文20余篇。